JP4389529B2 - 面照明装置及び導光板 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置などに用いる面照明装置の導光板、その面照明装置に関する。

図１０は、従来の液晶表示装置に用いる面照明装置の一例を示す。この面照射装置７０は、光源７２とこの光源７２からの光７２Ｌを一様に面発光させるために導光板７１とから構成される。導光板７１は、光源７２側の前端から奥端に向って、即ち、導光方向に向って板厚ｄ１が漸次小さくなるように、光出射面（いわゆる天面）７５に対して反射面（いわゆる底面）７６が傾斜して形成される。導光板７１は、底面７６に、反射シート７７を被着し、天面７５に拡散シート７８、複数のプリズムシート７９、８０及び保護シート８１を積層してモジュール構造化されている。光源７２は、図１１に示すように青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光面に黄色蛍光体層８６を被着した状態で１つのパッケージに封入され表面を透明樹脂層８７で被着されて成る。青色発光ダイオード８５と黄色蛍光体層８６により、白色光を作っている。このパッケージ化された光源７２は、プリント配線基板８９上に実装され、その発光面側を導光板７１の前端面に取着する。この面照明装置７０では、図１２Ａに示すように、光源７２からの光が、導光板７１の前端７３から入射し奥端７４に向って進行する。奥端に向って進行する光は、導光板７１の底面７６に設置された反射シート７７によって、天面７５方向に反射されることで、天面７５の全面から出射される。

導光板７１としては、天面７５と底面７６が平行に形成されたものが知られている。

特許文献１には、導光板にロート状のテーパを設けることで光の輝度を向上する装置が開示されている。
また、上述したように導光板は、導光板から出射する光の輝度や輝度均一性が低いため、輝度向上シートや輝度均一性向上シートを用いる必要があった（特許文献２参照）。
このＬＥＤと蛍光体を封止する技術については、さまざまな手法が知られている（特許文献３、特許文献４参照）。
実開平０１−１５２４０６号公報 特開平０９−３５５１８号公報 特開２００２−２２２９９６号公報 特開２０００−７７７２３号公報

従来の導光板においては、その厚みが、底面と天面で平行或いは図１０に示すように光源側が広くなっているため、臨界角より小さな入射角で導光板の面に入射した光は、導光板の面で反射されず導光板の外へ出射してしまう。即ち、図１２Ｂに示すように、導光板７１の前端７３から入射した光７２Ｌは、光源からの光の周波数、導光板の材質、屈折率等の条件によって、入射しても直ぐに天面７５側へ出射してしまう。
このように従来の導光板は、光源から広がるタイプの光が照射されると、導光板に進行したとき導光板の前面で光が発光してしまうため、導光板の奥まで光を導光できず、図１２Ａに示すように面発光に明るさのむらが生じ、放射能率と輝度分布の一様性に問題を生じていた。
上述した通り、従来の導光板は、光を一様に面発光させるためにさまざまな種類の光学シートを複数枚積層してモジュール構造化しなければならないので光学調整を複雑にする要因となっている。

本発明は、上述の点に鑑み、光源からの光を全面均一に面発光する面照明装置及びこれに用いる導光板を提供するものである。

本発明に係る導光板は、光を入射させる第１領域であって、前記第１領域の厚みが光源側から導光方向へ向って漸次大きくなるように、厚み方向の両面の光軸に対する傾斜角がそれぞれ１°≦β≦２５°の範囲内で形成された第１領域と、第１領域に連続して光を出射する第２領域であって、第２領域の厚みが前記導光方向へ向って漸次小さくなるように設定された第２領域と、第２領域の反射面に、光軸と垂直方向に形成されたプリズム又はＶ溝と、第２領域の光出射面に、光軸に沿って形成されたプリズム又はＶ溝であって、第２領域の前端から奥端にいくにしたがって大きくなるように設定された頂角と、第２領域の中央から両端に行くにしたがって小さくなるように設定された頂角を有するプリズム又はＶ溝と、第１領域の厚み方向の両面に形成された反射面とを有する。

本発明の導光板では、光を入射させる第１領域をその厚みが導光方向に向って漸次大きくなるように形成し、厚み方向の両面を反射面として形成するので、光源から入射した光の一部が第１領域の傾斜した反射面で反射し、臨界角以上の角度で光出射面に入射される。これにより、光は光出射面で全反射し導光板の奥まで進行する。

本発明に係る面照明装置は、光を出射する光源と、光源から出射された光を入射させる第１領域であって、前記第１領域の厚みが光源側から導光方向へ向って漸次大きくなるように、厚み方向の両面の光軸に対する傾斜角がそれぞれ１°≦β≦２５°の範囲内で形成された第１領域と、第１領域に連続して光を出射する第２領域であって、前記第２領域の厚みが前記導光方向へ向って漸次小さくなるように設定された第２領域と、第２領域の反射面に、光軸と垂直方向に形成されたプリズム又はＶ溝と、第２領域の光出射面に、光軸に沿って形成されたプリズム又はＶ溝であって、第２領域の前端から奥端にいくにしたがって大きくなるように設定された頂角と、第２領域の中央から両端に行くにしたがって小さくなるように設定された頂角を有するプリズム又はＶ溝と、第１領域の厚み方向の両面に形成された反射面と、を有する導光板とを有して構成される。

本発明の面照明装置では、光を入射させる第１領域をその厚みが導光方向に向って漸次大きくなるように形成し、厚み方向の両面を反射面とした導光板を備える。この導光板により、光源から導光板に入射した光の一部が第１領域の傾斜した反射面で反射し、臨界角以上の角度で光出射面に入射される。反射により光出射面に入射した光は光出射面で全反射し導光板の奥まで進行することになる。したがって、導光板内を光が均一に進行し、光出射面から均一に光照射される。

本発明の導光板によれば、入射した光を導光板の奥まで導光できるので、光の放射効率がよくなり、導光板から出射した光の輝度を高くし、且つ輝度均一性をも高くすることができる。したがって、輝度向上シート、輝度均一性向上シートを省略でき、面照明装置（いわゆる面光源）に適用したときに面照明装置の薄型化を可能にする。さらに、輝度向上シート、輝度均一性向上シートを使用しないので導光板のコスト低減ができる。

導光板の光を出射する第２領域の厚みを、導光方向へ向って漸次小さくなるように設定するときは、光出射面と反対側の反射面が傾斜していることにより、入射した光を前端から奥端まで均一に光出射面側へ反射することができる。これにより、光出射面から光を全面均一に出射することができる。

導光板の第２領域の反射面に光軸と垂直方向にプリズム又はＶ溝を形成し、第２領域の光出射面に光軸に沿ってプリズム又はＶ溝を形成するときは、反射面のプリズム又はＶ溝及び反射シートで光を光出射面側に効率よく反射させ、且つ光出射面のプリズム又はＶ溝により発散する光を抑制して面照射を良くすることができる。

導光板の第２領域の反射面に光軸と垂直方向にプリズム又はＶ溝を形成し、第２領域の光出射面に光軸に沿って頂角が変化するプリズム又はＶ溝を形成するときは、発散する光をさらに抑制することができ、さらに面照射を良くすることができる。

導光板の隣り合う光源間に対応した部分に三角柱状の切れ込みを形成するときは、入射直後の光を切り込み部の面で屈折・反射させ、導光板の奥端方向に光を進行させることができ、光の放射効率を向上することができる。

本発明の面照明装置によれば、光源からの光を導光板の奥まで導光できるので、光の放射効率がよくなり、導光板から面出射した光の輝度を高くし、且つ輝度均一性をも高くすることができる。導光板から全面均一な明るさの面発光が得られる。輝度向上シート、輝度均一性向上シートを省略でき、面照明装置（いわゆる面光源）の薄型化を可能にする。さらに、輝度向上シート、輝度均一性向上シートを使用しないので面照明装置のコスト低減ができる。

導光板において、光を出射する第２領域の厚みを導光方向へ向って漸次小さくなるように設定するときは、光出射面と反対側の反射面が傾斜していることにより、光を前端から奥端まで均一に光出射面側へ反射することができる。これにより、導光板より光を全面均一に出射することができる。

光源を黄色蛍光体層を有した青色半導体発光素子で構成し、この半導体発光素子を導光板に取着し又は導光板に一体成形するときは、従来の面照明装置に比べて面照明装置の薄型化することができる。また、青色発光ダイオードを直接プリント配線基板に実装できるので実装回数が１回と低減できる。

導光板において、第２領域の反射面に光軸と垂直方向にプリズム又はＶ溝を形成し、第２領域の光出射面に光軸に沿ってプリズム又はＶ溝を形成するときは、反射面のプリズム又はＶ溝及び反射シートで光を光出射面側に効率よく反射させ、且つ光出射面のプリズム又はＶ溝により発散する光を抑制して、導光板からの面照射を良好にすることができる。

導光板において、第２領域の反射面に光軸と垂直方向にプリズム又はＶ溝を形成し、第２領域の光出射面に光軸に沿って頂角が変化するプリズム又はＶ溝を形成するときは、発散する光をさらに抑制することができ、さらに導光板からの面照射を良好にすることができる。

導光板において、隣り合う光源間に対応した部分に三角柱状の切れ込みを形成するときは、入射直後の光を切り込み部の面で屈折・反射させ、導光板の奥端方向に光を進行させることができ、面照明装置での光の放射効率を向上することができ、最適な輝度を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
まず、図１〜図４を用いて、本発明の導光板及び面照明装置の基本構成を説明する。
図１に、本発明に係る面照明装置の基本構成を示す。図１の面照明装置１０は、光源２とこの光源２からの光を導光して面状に出射する導光板１とから構成される。導光板１は、平板状をなし、光を入射させる第１領域７とこの第１領域７に連続して光を出射する第２領域８とを有して成り、第１領域７の厚み（いわゆる板厚）ｔ１を光源２側から導光方向へ向って漸次大きくなるように設定すると共に、途中から、すなわち第２領域８の厚み（いわゆる板厚）ｔ１を導光方向へ向って漸次小さくなるように設定して構成される。第１領域７の板厚方向の両面７Ａ及び７Ｂには、反射シート１１及び１２が被着形成され、この両面７Ａ及び７Ｂが反射面として形成される。両面７Ａ及び７Ｂの 光軸に対する傾斜角β［β１、β２］（図４参照）は、光源２からの入射光Ｌ１が第１領域７の面で反射して第２領域８の光出射面、いわゆる天面５へ入射したときに、天面５で臨界角α以上、つまり全反射されるような角度に設定される。角度β［β１、β２］は、１°≦β≦２５°の範囲で有効である。本例では両傾斜角β１、β２共に同じ角度に設定される。この場合、第１領域７はテーパ状に形成されることになる。傾斜角β１、β２は、それぞれ異なる角度に設定することも可能である。角度βが１°≦β≦２５°の範囲であれば、天面で臨界角以上とすることができ、且つ導光板の薄型化できる。第２領域８の天面５と反対の面、いわゆる底面６には、反射シート１３が被着形成され、底面６が反射面として形成される。

導光板１の第２領域８の天面５及び底面６には、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、それぞれ導光板１に入射した光Ｌ１を効率よく天面５より面出射させるためのプリズム又はＶ字状の溝（以下、Ｖ溝という）２５及び２６が形成される。底面６には、入射する光の光軸に垂直方向に沿ってプリズム又はＶ溝２６が形成され、天面２５には、上記光軸に沿ってプリズム又はＶ溝２５が形成される。この導光板１の底面６に設けたプリズム或いはＶ溝２６によって、光を天面５に照射することができ、天面５側では天面５に設けたプリズム或いはＶ溝２５によって、出射光の発散を抑制して均一な面発光をすることができる。すなわち、明るい部分、暗い部分を無くして、全面に均一な明るさの面発光となる。

一方、光源２は、図３に示すように黄色蛍光体層４３を有した青色発光ダイオード（ＬＥＤ）４２で構成される。即ち、光源２は、青色発光ダイオード４２の発光面に黄色蛍光体層４３が形成され、さらにその上に透明樹脂層４４が被覆されて成る。このパッケージされない発光素子のみの光源２が直接導光板１の第１領域７の光入射端面に取着される。この発光素子は導光板１と一体成形で形成することもできる。黄色蛍光体層４３を有した青色発光ダイオード４２は、プリント配線基板４５に実装される。

次に、図４を用いて、本発明の基本構成を有する面照明装置１０の動作、特に光源２からの光Ｌ１の導光板１内での振舞について説明する。
光源２より導光板１に光Ｌ１が入射され、第１領域７の例えば角度β１の反射面７Ａで反射され、さらに角度β２の反射面７Ｂで反射された後、第２領域８の天面５に進行するが、この天面５で全反射されて、導光板１の奥端に向って進行する。このとき、光は、天面５へ臨界角α以上の角度で入射されるので、天面５において全反射されて導光板１の奥端へ進行することになる。入射光Ｌ１は、第１領域７で反射を繰り返すほど、天面５に対する入射角が大きくなり、全反射して奥まで入射させることができる。導光板１の第２領域８の底面６に設けられたプリズム又はＶ溝２６に入射した光Ｌ２は、プリズム又はＶ溝２６及び反射シート１３によって反射され、天面５側へ向いこれより面出射される。天面５に向って反射した光Ｌ２のうち、周辺に発散した光は天面５に形成されたプリズム又はＶ溝２５のよって発散が抑制され、結果として全面均一な明るさで面照射される。

本発明の基本構成を有する面照明装置１０によれば、導光板１の光源２側に板厚が導光方向へ向って漸次大きくなり、厚み方向の両面に反射シート１１，１２を形成した第１領域７を設けることにより、光源２からの光がこの第１領域７の面で反射し導光板１の奥まで光を進行することができ、光の放射効率がよくなる。これによって、導光板１の第２領域の天面５から全面均一な明るさで面出射することができる。また、第２領域の天面５には光軸に沿ってプリズムまたはＶ溝２５を形成し、底面６には光軸と垂直方向にプリズムまたはＶ溝２６を形成することにより、第２領域に入射した光を底面６から天面５へ反射し、また天面５の周辺へ発散した光を前方に向わせることができ、天面５より効率よく光を面出射することができる。
導光板１から出射した光の輝度が高く、輝度均一性も高くなるので、輝度向上シート、輝度均一性向上シートを不要とすることができ、面光源としての面照明装置を薄型化することができる。輝度向上シート、輝度均一性向上シートを省略できるので、コスト低減が図れる。
さらに、光源２として、黄色蛍光体層４３を有する青色発光ダイオード４２を直接導光板１に取着し、或いはこのような蛍光体層４３を有する発光ダイオード４２を導光板１に一体成形することにより、発光ダイオード４２を覆うパッケージを使用しない分、導光板１を薄型化することができる。その結果、面照明装置の薄型化を実現できる。また、発光ダイオード４２のパッケージへの実装が省略され、プリント配線基板への実装で済み、実装回数が１回と低減できる。
したがって、例えば液晶表示装置のバックライト等に適用して好適ならしめる。

次に、以上の基本構成を用いて、本発明の第１の実施形態に係る面照明装置について説明する。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る面照明装置を示す。同図は、特にその導光板の第２領域部分を示す。
本実施の形態に係る面照明装置を構成する導光板５１は、光源からの光を入射する第１領域（図示せず）及び光を面出射する第２領域５２とから構成される。第１領域は、図１で説明したと同様に構成される。第２領域５２は、天面５５光軸に沿ってプリズム又はＶ溝５７が形成され、底面５８に図示せざるも光軸と垂直方向にプリズム又はＶ溝が形成されて成る。そして、本実施の形態では、特に、天面５５に形成されるプリズム又はＶ溝５７を、その角度、即ちプリズムとしたときにはその頂角が、前端５３から奥端５４に行くにしたがって大きくなり、中央から両端へ行くにしたがって小さくなるように設定される。即ち、頂角は、前端５３から奥端５４に向って鈍角になり、中央から離れるにつれて、鋭角になる。図においては、頂角Ａ１−Ｂ１−Ｃ１の順に、頂角Ａ２−Ｂ２−Ｃ２の順に、頂角Ａ３−Ｃ３の順に、夫々角度が大きくなる。また、頂角Ａ１−Ａ２−Ａ３の順に角度が小さくなる。さらに、前端５３の中央に点光源を配置した場合に、プリズム（又はＶ溝）は、放射状の光の軌道に沿った線上において、頂角Ａ１、Ｂ２、Ｃ３が同じ角度になるように形成されている。即ち、天面５５には、光軸に沿って頂角が変化するプリズム又はＶ溝を設ける。
その他の構成は、図１及び図４で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態に係る導光板５１を備えた面照明装置によれば、第２領域５２の天面５５に頂角が前端５３から奥端５４に行くにしたがって大きくなり、中央から両端へ行くにしたがって小さくなるように変化するプリズム又はＶ溝を形成することにより、発散する光を抑制してさらに面照射を良くすることができる。

図５で説明した連続的に頂角が変化する導光板５１において、その光の放射する角度とプリズムまたはＶ溝の頂角の関係は、次の通りである 導光板５１の光出射面（天面）側から見て放射する光Ｌ３の光軸Ｌ０とのなす角度θとしたとき（図６参照）、光出射面上のプリズム又はＶ溝の頂角Φ（図７参照）は、数１に示す関係にある。ここで、ｎは導光板５１の屈折率である。但し、プリズム又はＶ溝をなす２つの面のうち、光源に近い面は光出射面（天面）に対して垂直な面とする。図７では、光源からの光Ｌ３が天面に設けられたプリズム或いはＶ溝に屈折させられ出射光Ｌ３を示す。

但し、θ≦ａｒｃｔａｎ（１／ｎ）の範囲に適用する。これ以外の範囲は、プリズム、Ｖ溝を必要としない。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る面照明装置を示す。本実施の形態に係る面照明装置６１は、光源６２と導光板６３とから構成される。光源６２は、複数の点光源で構成され、各点光源６２が所要の間隔を置いて導光板６３に取着される。本実施の形態においては、特に導光板６３の各隣り合う点光源間に対応する部分に天面６７から底面６８にわたって三角柱状の切り込み部６６が形成される。即ち、各点光源６２に接する部分の両側に三角柱状の切り込み部６６が形成される。導光板６３は、前述と同様に光源からの光を入射する第１領域６４及び光を面出射する第２領域６５とから構成される。第１領域６４は、図１で説明したと同様に構成される。第２領域６５は、その天面６７、底面６８に夫々前述の第１の実施形態で説明したようなプリズム又はＶ溝が形成される。

本実施の形態に係る面照明装置６１によれば、導光板３３において、各点光源６２に接する部分の両側に三角柱状の切り込み部６６が形成されるので、各点光源６２からの光６２Ｌは、切り込み部６６によって全反射され、導光板３３の奥端まで均一に光６２Ｌを進行させることができる。これによって、全面均一な明るさの照明光を出射させることができる。この面照明装置６１では、光源６２からの光の利用効率を上げることができ、一様に発光するので最適な面照明装置とすることができる。

なお、上述の各実施の形態においては、導光板の第２領域の底面を天面に対して傾斜させたが、天面と底面を平行に形成した構成にも本発明の第１領域の構成は適用できる。
また、導光板に貼着する夫々の反射シート１１、１２、１３は、第１領域の両傾斜面の程度、導光板の材質、屈折率や光源などによって貼り付ける枚数を調整することができる。

図９は、参考例に係る面照明装置を示す。同図は特にその導光板部分を示す。
参考例に係る面照明装置を構成する導光板３１は、図９Ａ、Ｂに示すように、光源からの光を入射する第１領域３２及び光を面出射する第２領域３３とから構成される。第１領域３２は、図１で説明したと同様に構成される。第２領域３３は、その天面３５に光源３２からの光の入射位置を基点に放射状に、即ち放射状に進行する光に沿うように、プリズム又はＶ溝３４が形成され、底面３７に光軸と垂直方向にプリズム又はＶ溝３８が形成されて成る。
その他の構成は、図１及び図４で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

本実施の形態に係る導光板３１を備えた面照明装置によれば、特に導光板３１に取着する光源として点光源を用いた場合、点光源から導光板３１内に放射状に入射する光を効率よく天面３５より面出射させることができる。その他、板厚を導光方向へ向って漸次大きくした第１領域３２を設けたことによる効果は、図１の面照明装置と同様である。

本発明に係る面照明装置の基本構成を示す図である。 Ａ 図１の面照明装置の導光板の斜視図である。 Ｂ 図２Ａの上面図及びＡ−Ａ線の断面図である。 Ｃ 図２Ａの底面図及びＢ−Ｂ線の断面図である。 図１に係る面照明装置の上面図（特に光源の一実施の形態を示す構成図）である。 図１の導光板の要部の拡大図である。 本発明の第１の実施形態に係る面照明装置、特に導光板の他の実施の形態を示す構成図である。 本発明の説明に供する導光板の平面図である。 本発明の説明に供する導光板の天面側の要部の断面図である。 Ａ 本発明に係る面照明装置、特に導光板の更に他の実施の形態を示す斜視図である。 Ｂ 図７Ａの要部の拡大図である。 Ａ 参考例に係る面照明装置、特に導光板の他の実施の形態を示す斜視図である。 Ｂ 図９Ａの上面図及び断面図である。 Ｃ 図９Ａの底面図及びＢ−Ｂ線の断面図である。 従来の面照明装置の構成図である。 従来の光源の例を示す断面図である。 Ａ、Ｂ 従来の面照明装置の問題点の説明図である。

１、２１，３１，４１，５１，６３・・導光板、２，６２、７２・・光源、３，２３、５３・・前端、４，２４，３４，５４・・奥端、５、２５，３５，５５，６７・・天面、６、２６，３７、５８、６８・・底面、７、３２、６４・・第１領域、８、３３、６５・・第２領域、１０、３１、６１・・面照明装置、１１，１２，１３・・反射板、２５，２６，３６，３７・・プリズムまたはＶ溝、６６・・三角柱状の切欠き部、４２・・青色発光ダイオード、４３・・黄色蛍光体層、４４・・透明樹脂、４５・・プリント配線基板、７０・・面照明装置、７１・・導光板、７２・・光源、７３・・前端、７４・・奥端、７５・・天面、７７・・反射板、７８・・拡散シート、７９，８０・・プリズムシート、８１・・保護シート

Claims (5)

1. 光を入射させる第１領域であって、前記第１領域の厚みが光源側から導光方向へ向って漸次大きくなるように、厚み方向の両面の光軸に対する傾斜角がそれぞれ１°≦β≦２５°の範囲内で形成された第１領域と、
   前記第１領域に連続して光を出射する第２領域であって、前記第２領域の厚みが前記導光方向へ向って漸次小さくなるように設定された第２領域と、
   前記第２領域の反射面に、光軸と垂直方向に形成されたプリズム又はＶ溝と、
   前記第２領域の光出射面に、光軸に沿って形成されたプリズム又はＶ溝であって、前記第２領域の前端から奥端にいくにしたがって大きくなるように設定された頂角と、前記第２領域の中央から両端に行くにしたがって小さくなるように設定された頂角を有するプリズム又はＶ溝と、
   前記第１領域の厚み方向の両面に形成された反射面と、
   を有する導光板。
2. 前記導光板の隣り合う光源間に対応した部分に三角柱状の切り込み部が形成されている
   請求項１記載の面照明装置。
3. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を入射させる第１領域であって、前記第１領域の厚みが光源側から導光方向へ向って漸次大きくなるように、厚み方向の両面の光軸に対する傾斜角がそれぞれ１°≦β≦２５°の範囲内で形成された第１領域と、
   前記第１領域に連続して光を出射する第２領域であって、前記第２領域の厚みが前記導光方向へ向って漸次小さくなるように設定された第２領域と、
   前記第２領域の反射面に、光軸と垂直方向に形成されたプリズム又はＶ溝と、
   前記第２領域の光出射面に、光軸に沿って形成されたプリズム又はＶ溝であって、前記第２領域の前端から奥端にいくにしたがって大きくなるように設定された頂角と、前記第２領域の中央から両端に行くにしたがって小さくなるように設定された頂角を有するプリズム又はＶ溝と、
   前記第１領域の厚み方向の両面に形成された反射面と、を有する導光板と、
   を有する面照明装置。
4. 前記光源が黄色蛍光体層を有した青色半導体発光素子で構成され、前記半導体発光素子が前記導光板に取着し、又は導光板に一体成形されている
   請求項３記載の面照明装置。
5. 前記導光板の隣り合う光源間に対応した部分に三角柱状の切り込み部が形成されている
   請求項４記載の面照明装置。